A robótica na fabricação automotiva de hoje

Robôs industriais são essenciais para a fabricação moderna — executando uma vasta gama de funções enquanto coordenam tarefas com outras formas de automação. Na verdade, a indústria automotiva de $1T foi a primeira indústria com meios para fazer uso em larga escala da robótica ... e avançar as tecnologias associadas à robótica também. Não é de se admirar, pois os automóveis são itens de grande porte altamente sofisticados que podem justificar investimentos em plantas que podem não render retorno sobre o investimento (ROI) por anos. Agora, a grande maioria dos centros de fabricação automotiva emprega robótica. Somente nas últimas duas décadas os setores de embalagem, produção de semicondutores, e o relativamente novo setor de armazenagem automatizada, aceleraram a adoção da robótica para rivalizar com a indústria automotiva.

Figura 1: A indústria automotiva, mais do que talvez qualquer outra, estimulou o avanço das tecnologias robóticas. (Fonte da imagem: Getty Images)

Dentro dos próprios robôs e em equipamentos complementares de automação industrial estão motores elétricos, sistemas hidráulicos e sistemas de energia de fluidos; acionamentos, controles, hardware de rede, interfaces homem-máquina (IHMs) e sistemas de software; e componentes de sensoriamento, resposta e segurança. Estes elementos conferem eficiência ao executar rotinas pré-programadas que podem se adaptar prontamente às mudanças das condições em tempo real. Cada vez mais, espera-se que as células de trabalho robóticas também apresentem reconfigurabilidade para produzir novas ofertas de automóveis ... já que as preferências dos consumidores evoluíram mais rapidamente do que nunca.

Esclarecendo a terminologia utilizada para automação e robótica

O Oxford English Dictionary define robôs como "máquinas capazes de executar automaticamente séries complexas de movimentos, esp. programáveis". O que é confuso é que esta definição poderia descrever tudo, desde máquinas de lavar até máquinas operatrizes de CNC. Mesmo a definição ISO 8373 de um robô como um "manipulador multiuso, reprogramável, programável em três ou mais eixos" poderia descrever um transportador de armazém com estações elevatórias verticais. No entanto, tais máquinas normalmente nunca seriam classificadas como robôs.

O diferencial prático a ser lembrado é que máquinas construídas para um único [leia-se: muito claramente definido] uso em um local fixo não são normalmente consideradas robôs ... pelo menos não em círculos industriais. Por exemplo, embora uma fresadora típica possa executar qualquer número de programas complexos para usinar diferentes peças, ela é projetada para cortar metal usando lâminas rotativas montadas em seu fuso ... e é provável que permaneça fixada com segurança em um único local durante toda sua vida útil.

Figura 2: Em alguns casos, a distinção entre robô e máquina é baseada na aparência de um projeto automatizado. Alguns classificam os braços articulados que se assemelham aos braços humanos mecanizados como robôs — e classificam os arranjos cartesianos automatizados de deslizamentos lineares (como o CT4 para montagem e inspeção de peças pequenas) como máquinas. (Fonte da imagem: IAI America Inc.)

Algumas vezes, até mesmo estas definições são contraditórias. Por exemplo, máquinas automatizadas como as máquinas operatrizes de CNC são cada vez mais flexíveis, com centros de usinagem que executam as funções de fresadoras e tornos — e muitas dessas máquinas executam tarefas de inspeção e medição em peças com sondas de contato e scanners a laser também. Tais máquinas operatrizes podem até mesmo ser equipadas para realizar a manufatura aditiva. Por outro lado, robôs industriais supostamente flexíveis são frequentemente fornecidos como modelos especializados projetados para uma tarefa específica, como pintura por pulverização ou soldagem ... e podem muito bem passar toda sua vida útil estacionada dentro de uma célula de trabalho em uma linha de produção.

O resultado final é que na indústria automotiva de hoje, os sistemas automatizados classificados como robôs são, de fato, frequentemente esperados para exibir alta flexibilidade — capazes (com reconfiguração) de executar tarefas de transporte, classificação, montagem, soldagem e pintura que podem variar dia a dia. Espera-se também que esta robótica industrial seja realocada para novas áreas em uma fábrica — seja para reimplantação como sistemas de manufatura e reconfigurada ou continuamente móvel em pistas lineares do sétimo eixo para manutenção de matrizes de células de trabalho em uma linha.

Famílias de robôs para locais de produção automotiva

Os robôs nos locais de produção automotiva são amplamente classificados por suas estruturas mecânicas — incluindo seus tipos de juntas, arranjos de ligação e graus de liberdade.

A robótica do manipulador em série inclui a maioria dos robôs industriais. Os projetos desta família têm uma cadeia linear de elos com uma base em uma extremidade e um efetuador final na outra extremidade ... com uma única junta entre cada elo da cadeia. Estes incluem robôs articulados, robôs articulados de conformidade seletiva (SCARA), robôs colaborativos de seis eixos, robôs cartesianos (essencialmente constituídos por atuadores lineares) e robôs cilíndricos (algo incomum).

Figura 3: Robôs colaborativos são cada vez mais comuns nas instalações de fornecedores automotivos de nível 2 que se beneficiam da paletização automatizada. (Fonte da imagem: Dobot)

A robótica do manipulador paralelo é excelente onde as aplicações precisam de alta rigidez e velocidade operacional. Em contraste com os braços articulados (suspensos no espaço 3D através de uma única linha de ligações), os manipuladores paralelos são suportados ou suspensos por matrizes de ligações. Exemplos incluem robôs delta e Stuart.

A robótica móvel são unidades de rodas que movimentam materiais e itens de estoque em torno de fábricas e armazéns. Eles podem funcionar como empilhadeiras automáticas para recuperar, mover e colocar paletes nas prateleiras ou no chão de fábrica. Exemplos incluem veículos guiados automatizados (AGVs) e robôs móveis autônomos (AMRs).

Robôs clássicos usados na fabricação de automóveis

As aplicações robóticas clássicas em instalações de fabricação automotiva incluem soldagem, pintura, montagem e (para o transporte de 30.000 peças que vão para o carro médio) tarefas de manuseio de material. Considere como alguns subtipos de robôs são colocados em uso nestas aplicações.

Os robôs de braço articulado de seis eixos são manipuladores em série nos quais cada junta é uma junta revoluta. A configuração mais comum é o robô de seis eixos com graus de liberdade para posicionar objetos em qualquer posição e orientação dentro de seu volume de trabalho. São robôs muito flexíveis, adequados a uma miríade de processos industriais. Na verdade, robôs de braço articulado de seis eixos são o que a maioria das pessoas imagina ao pensar em um robô industrial.

Figura 4: Os leitores de código de barras de alto desempenho podem decodificar códigos de barras 1D e 2D de forma rápida e confiável. Alguns se montam em efetuadores finais robóticos para suportar a coleta de peças eletrônicas e automotivas, assim como elementos de submontagem. (Fonte da imagem: Omron Automation and Safety)

De fato, os grandes robôs de seis eixos são frequentemente usados na soldagem de estruturas de automóveis e na soldagem pontual de painéis de carroceria. Em contraste com as abordagens manuais, os robôs têm a capacidade de rastrear com precisão os caminhos da solda no espaço 3D sem parar, ao mesmo tempo em que acomodam os parâmetros de mudança do cordão de solda em resposta às condições ambientais.

Figura 5: Estes robôs de seis eixos são o que a maioria das pessoas imagina ao imaginar um robô industrial. (Fonte da imagem: Kuka)

Em outros lugares, robôs de braço articulado de seis eixos andam em sistemas de sétimo eixo para executar a preparação, pintura e o revestimento transparente da superfície, além de outros processos de selagem em carrocerias de painéis automotivos. Tais arranjos proporcionam resultados perfeitamente consistentes que são em parte muito confiáveis, porque estes processos são executados em cabines de pulverização bem isoladas e efetivamente mantidas sem contaminação por partículas do ambiente externo. Robôs de seis eixos também seguem trajetórias de pulverização programaticamente otimizadas para acabamentos perfeitos, mesmo minimizando o excesso de pulverização e desperdício de tinta e selante. Além disso, eles eliminam a necessidade de expor o pessoal da fábrica de automóveis aos vapores nocivos associados a alguns materiais aplicados por pulverização.

Figura 6: O aplicativo SIMATIC Robot Integrator simplifica a integração de robôs em configurações automatizadas ao acomodar os parâmetros de vários robôs de fornecedores e várias geometrias de aplicações e requisitos de montagem; completando estas instalações, os controladores SIMATIC S7 de alto desempenho são escaláveis, tendo E/S integrada e várias opções de comunicação para adaptações flexíveis de projeto. (Fonte da imagem: Siemens)

Os robôs de braços articulados de conformidade seletiva (SCARA) têm duas juntas giratórias com eixos giratórios paralelos que correm na direção vertical para o posicionamento X-Y em um único plano de movimento. Depois, um terceiro eixo linear permite o movimento na direção Z (para cima e para baixo). Os SCARAs são opções relativamente de baixo custo que se destacam em espaços confinados — mesmo enquanto fornecem movimentos mais rápidos do que os robôs cartesianos equivalentes. Não admira que os robôs SCARA sejam usados na produção de sistemas automotivos elétricos e eletrônicos — incluindo aqueles para controle climatizado, conectividade de dispositivos móveis, elementos de áudio/visuais, entretenimento e navegação. Aqui, os SCARAs são mais comumente usados para executar as tarefas precisas de manuseio de material e montagem para produzir estes sistemas.

Os robôs cartesianos têm, no mínimo, três eixos lineares que são empilhados para executar o movimento nas direções X, Y e Z. Na verdade, alguns robôs cartesianos empregados por fornecedores automotivos de nível 2 tomam a forma de máquinas operatrizes de CNC, impressoras 3D e máquinas de medição coordenada (CMMs) para verificar a qualidade e a consistência dos produtos finais. Se levarmos em conta estas máquinas na contagem, os robôs cartesianos são facilmente a forma mais comum de robô industrial da indústria. Como mencionado anteriormente, as máquinas cartesianas são frequentemente chamadas apenas de robôs quando são utilizadas para operações envolvendo a manipulação de peças e não de ferramentas — na montagem, pick-and-place e paletização, por exemplo.

Outra variação robótica cartesiana utilizada na indústria automotiva é o guindaste automático de pórtico. Estes são indispensáveis para os processos de fixação e junção que requerem acesso ao chassi de conjuntos dos veículos parcialmente concluídos.

Usos novos e inovadores de robôs na fabricação automotiva

Os robôs cilíndricos são robôs compactos e econômicos que permitem o posicionamento em três eixos com uma junta giratória na base e dois eixos lineares para extensão de altura e braço. Eles são particularmente bem adequados para zelar, embalar e paletizar subcomponentes de máquinas automotivas.

Os robôs colaborativos de seis eixos (cobots), mencionados anteriormente, apresentam a mesma estrutura básica de ligação que as variações industriais maiores, mas com acionamentos extremamente compactos e integrados baseados em motores em cada junta ... tipicamente na forma de um motorredutor ou opção de acionamento direto. Em ambientes automotivos, estes são encarregados de suportes de solda, montagens e subquadros geometricamente complicados. Os benefícios incluem alta precisão e repetibilidade.

Os robôs Delta têm três braços que são acionados através de juntas giratórias a partir da base — muitas vezes montados no teto para um arranjo suspenso. Cada braço tem um paralelogramo com juntas universais montadas em sua extremidade, e todos estes paralelogramos se conectam então ao efetuador final. Isto dá ao robô delta três graus de liberdade translacional com o efetuador final nunca girando em relação à base. Os robôs Delta podem atingir acelerações extremamente altas, tornando-os altamente eficazes para operações de pick-and-place em aplicações envolvendo a triagem e outros tipos de manipulação de pequenos fixadores automotivos e componentes elétricos.

As plataformas Stewart (também chamadas de hexapods) consistem em uma base triangular e de um efetuador final triangular conectado por seis atuadores lineares em um octaedro. Isto confere seis graus de liberdade com uma estrutura extremamente rígida. No entanto, o alcance do movimento é relativamente limitado em comparação com o tamanho da estrutura. As plataformas Stewart são utilizadas para simulação de movimento; usinagem de precisão móvel; compensação de movimento de guindastes; e compensação de vibração de alta velocidade em rotinas de testes de física e óptica de precisão ... incluindo aquelas para verificar projetos de suspensão de veículos.

Os veículos guiados automatizados (AGVs) seguem rotas definidas marcadas por linhas pintadas no piso, fios no piso, ou outras balizas de orientação. Os AGVs normalmente têm um grau de inteligência que os faz parar e começar para evitar colisões entre si e com os seres humanos. Eles são altamente adequados para tarefas de transporte de material em instalações de produção de automóveis.

Os robôs móveis autônomos (AMRs) não exigem rotas fixas e são capazes de tomar decisões mais sofisticadas do que os AGVs. Particularmente úteis nos depósitos espalhados dos fabricantes de automóveis, estes normalmente conseguem navegação livre usando scanners a laser e algoritmos de reconhecimento de objetos para sentir seu ambiente. Quando uma possível colisão é detectada, em vez de parar e esperar como um AGV, os AMRs podem simplesmente alterar o curso e se mover em torno de obstáculos. Esta adaptabilidade torna os AMRs consideravelmente mais produtivos e flexíveis nas plataformas de carregamento das plantas automotivas.

Conclusão

A indústria automobilística impulsionou uma enorme inovação no campo da robótica nos últimos 30 anos, e essa tendência continuará com o crescente mercado de veículos elétricos (EVs). A indústria também começou a se beneficiar de novas adaptações de IA e sistema de visão para melhorar as instalações robóticas para usos de todos os tipos.